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特殊钢材1Cr12Ni3Mo2VN马氏体耐热钢筒形锻件的生产研制

目录:行业新闻点击率:发布时间:2019-07-24 09:30:05

  1Cr12Ni3Mo2VN钢属于12%Cr型马氏体耐热特殊钢材,不同于常规的马氏体耐热特殊钢材,该材料中由于添加了较多的Ni、Mo、V、N等合金化元素,从而具有更好的塑韧性、高温抗氧化性和组织稳定性等。其中添加较多含量的Ni极大的改善了材料的韧性,Mo的加入既能够起到固溶强化的作用,又可以增强材料的持久蠕变性能,V则是强碳化物与氮化物形成元素,以细小弥散的碳化物和氮化物颗粒分布在马氏体基体中,起到沉淀强化的作用。该材料作为新型的马氏体耐热不锈钢,主要用于制造燃气轮机、蒸汽轮机、压气机机匣及航空领域零件。通过控制1Cr12Ni3Mo2VN马氏体不锈钢中C、Mn、Ni、N等奥氏体形成元素和Cr、Mo、Si、V等铁素体形成元素含量,经过适当的锻造及热处理过程控制,研究其金相组织、力学性能、奥氏体晶粒度和超声波探伤要求。通过控制筒形件的锻造、热处理等关键工序,积累了丰富的合理的制造工艺,为后续生产此类材质的产品,提供了详实可靠的依据和经验。

  锻件技术指标

  化学成分

  冶炼方式采用电炉+电渣重熔或真空感应+真空电弧炉重熔工艺生产,化学成分应符合表1规定,残余元素含量应满足表2的要求。铬当量应不大于7.0,铬当量计算公式为:Creq=1Cr-40C-2Mn-4Ni+6Si+4Mo+11V-30N。

  表1 1Cr12Ni3Mo2VN钢化学成分(wt%)

  表2 1Cr12Ni3Mo2VN钢残余元素含量(wt%)

  力学性能

  1Cr12Ni3Mo2VN马氏体耐热钢筒形锻件以淬火+高温回火状态交货,在经热处理的纵向试样上检测力学性能,并符合表3、表4的规定。取样位置为本体1/2壁厚处,切取试样进行热处理。热处理制度如下:1025~1050℃,油冷;两次回火:565±20℃,空冷;重新加热到第一次回火温度20℃以下的温度,风冷或空冷。

  表3 室温力学性能

  表4 高温持久性能

  微观组织

  马氏体耐热钢筒形锻件高倍组织应该为回火马氏体,不规则分布的自由铁素体(δ-铁素体)含量不应超过1.5%,锻件平均晶粒度应为3级或更细,允许少量大晶粒存在,但其尺寸不应大于0.25mm。

  超声波检验

  锻件经加工后逐件进行超声波检验,满足HB/Z 59-1997中AA级验收要求。

  锻件生产研制工艺

  冶炼

  技术条件要求控制δ-铁素体含量不大于1.5%,就必须在冶炼过程控制化学成分。在1Cr12Ni3Mo2VN马氏体耐热钢中,C、Mn、Ni、N等是奥氏体形成元素,Cr、Mo、Si、V等是铁素体形成元素。控制δ-铁素体含量的关键在于提高奥氏体形成的合金元素的含量,降低铁素体形成的合金元素的含量,因此,在实际生产时将C、Ni、N等促进奥氏体形成的合金元素控制在成分范围上限,将Cr、Mo、V、Si等促进铁素体形成的合金元素的含量控制在成分范围的中下限。采用电炉+电渣重熔方式冶炼,并锻制成棒料。棒料的化学成分见表5所示,残余元素含量见表6所示,实际材料的铬当量为2.58,满足技术要求。

  表5 1Cr12Ni3Mo2VN钢棒料化学成分(wt%)

  表6 1Cr12Ni3Mo2VN钢棒料残余元素含量(wt%)

  锻造及锻后热处理

  锻件经多次镦拔预制坯料、冲孔、芯轴拔长、马架扩孔和辗环等工序制成高筒件,锻造温度控制在850~1180℃,锻件镦粗比3.6。为防止马氏体耐热钢在锻后冷却过程出现裂纹等缺陷,产品成形后,炉冷至300℃进炉正火+回火处理,图1为1Cr12Ni3Mo2VN马氏体耐热钢锻件的正火+回火工艺曲线。图2为正火回火过程。

  图1 锻件锻后正火+回火曲线

  图2 1Cr12Ni3Mo2VN锻件锻后正火回火过程

  热处理性能

  将正火+回火处理后的锻件进行粗加工、探伤等处理,以确保淬火+回火处理前锻件不存在裂纹等缺陷,按照图3所示淬火+两次回火的热处理工艺进行性能热处理。淬火采用PAG淬火液按照液-空交替冷却的方式淬火,锻件冷却至表面300℃后空冷至低于100℃后,按照图3所示工艺参数进行回火,图4为锻件性能热处理过程。

  图3 锻件性能热处理曲线

  图4 1Cr12Ni3Mo2VN锻件性能热处理过程

  锻件合格性检验

  力学性能

  从经过淬火+两次回火处理的锻件上切取样环,按照180°间隔制取室温拉伸试样和高温持久试样,并检测其力学性能,结果如表7所示,根据力学性能结果可知,按照图1和图3所述的热处理工艺处理后,锻件力学性能满足技术要求。锻件加工至发货尺寸后,在两端面和外径中间位置每隔90°检测一点硬度,结果如表8所示,满足产品要求(硬度要求:311~352HBW)。

  表7 锻件力学性能

  表8 锻件硬度(HBW)

  显微组织

  图5为1Cr12Ni3Mo2VN锻件金相组织,从图5中不难发现,当锻件化学成分满足表5和表6要求且铬当量为2.58时,按照图1和图3热处理方式处理后,锻件金相组织为回火马氏体组织,且组织中不存在δ-铁素体,即δ-铁素体含量小于1.5%。图6为锻件的奥氏体晶粒度图片,其奥氏体晶粒度级别在4.5级左右,尽管存在个别大尺寸晶粒,但大晶粒尺寸均小于0.25mm,满足技术要求。

  图5 锻件金相组织

  图6 锻件奥氏体晶粒度

  结论

  采用电炉+电渣重熔方式冶炼,通过控制C、Mn、Ni、N等奥氏体形成元素和Cr、Mo、Si、V等铁素体形成元素含量,当铬当量为2.58时,经过适当的锻造、扩孔、辗环和锻后热处理,按照1025~1050℃淬火(液—空交替冷却)+545~585℃一次回火+525~545℃二次回火处理,1Cr12Ni3Mo2VN高筒件的金相组织、力学性能、奥氏体晶粒度和超声波探伤结果均完全满足技术要求。
本文节选自《锻造与冲压》2019年第13期。

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